小球藻大规模培养研究的进展①李师翁(庆阳师范高等专科学校生物系　甘肃西峰　745000)李虎乾　张建军(深圳益兴光合有限公司　深圳　518008)摘要　小球藻是被人类研究并开发利用的单细胞藻类之一。

本文就小球藻大规模培养中产量、质量、培养方式、培养基与经济上的可行性之间的关系;气候因子、二氧化碳补加、搅拌、分离、收获与干燥等技术条件及其研究的进展进行了综述,认为未来的发展趋势将是光合生物反应器培养。

文中也讨论了小球藻大规模培养中生长量以及限制生长量的主要因素与太阳能转换率之间的关系。

关键词　小球藻,大规模培养,生长量PROGRESS IN STU DIES ON LARGE 2SCAL ECU L TURE OF CHLORELLALI Shi 2Weng(Department o f Biology ,Qingyang Teacher ’s College ,X iFeng G anSu 745000)LI Hu 2Qian ZH ANGJian 2Jun(Shenzhen Yixing Photosynthesis Limited Company ,Shenzhen 518008)Abstract Chlorella is one of the single 2cell algae that was studied ,cultured and used for human.The current reiew of the interrelationship of product ,quality ,culture type ,and media type for eco 2nomically feasible system ;the technical condition on climatological factors ,carbonating ,the need for mixing ,seperating ,harvesting and drying ;and the progress of mass culture on Chlorella was sum 2marized in this paper.The future development trends of mass culture will be automatic photosynthe tic reactor culture.The relationship of productivity and the s olar energy conversion efficiency which is one of the main limitations on productivity was discussed als o.K ey w ords Chlorella ,Large 2scale culture ,Productivity小球藻为绿藻门小球藻属(Chlorella )普生性单细胞绿藻,以光合自养生长繁殖,分布极广,尤以淡水水域种类多,生物量大。

对生长条件要求简单,环境耐受性强,繁殖速率高,人工培养较易,单位光照面积的水域培养小球藻的生物量是高等植物的数倍。

人类对小球藻的研究开发已有半个世纪的历史。

二战期间,由于粮食的缺乏,如何利用水生藻类生物作为人类的食物资源开始成为研究课题,单细胞藻类的培养逐渐被重视起来,许多国家先后进行了培养和营养价值的研究。

小球藻是最早被开发研究的对象之一。

该属种类较多,其中以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa )蛋白质含量高而受到重视。

现在知道,小球藻作为人类理想的营养源健康食品,在于它具有极其丰富均衡的营养成分和优良的医疗保健作用。

蛋白质50～67%,含有人体所需的20种氨基酸、多种维生素和微量元素,以及亚麻酸、亚油酸、胡萝卜素等成分。

研究证明小球藻细胞糖蛋白具有①甘肃省教委资助项目。

植物学通报　1998,15(4):45～50Chinese Bulletin of Botany46　植物学通报15卷显著的抑瘤抗癌、增强免疫和抗病毒感染的活性。

小球藻所含未知活性因子具有增强细胞代谢、延缓细胞衰老的活性。

在工业上,小球藻是优良的饲料添加剂,近年来的研究证明,当小球藻在异养条件下,细胞内油脂含量可达60%以上,是一种新型油脂资源。

当培养在高盐条件下,脯氨酸含量达12%,可用于工业制取脯氨酸。

其叶绿素含量约4%,为高等植物叶片的20多倍,是天然叶绿素的理想资源(李勤生和王业勤,1985)。

日本、美国、前苏联等国家自50年代率先开发小球藻作为单细胞蛋白,70年代日本首先开发小球藻作为人类的健康食品,80年代又开发出健康和美容系列产品,包括小球藻食品、小球藻饮料、小球藻绿酒、小球藻化妆品等。

我国曾在60年代初开展了小球藻的培养与生产试验研究,未能坚持,目前尚无工业化生产与研究机构。

本文就国内外小球藻大规模培养的研究状况进行综述。

1　小球藻大规模培养的基本方式目前的研究表明,小球藻大规模培养的方式与产品开发有关。

Oswald(1990)总结了当前国际上主要的培养方式,可以概括为:密闭无菌培养:使用试剂级化学药品、净化水、加E DT A和维生素等营养成分,主要是制取高级医药用品,精细化学药品和高级油脂等产品。

开放半无菌培养:使用分析纯化学药品、净化水,主要生产藻粉、健康食品、色素和医药制品。

开放藻菌混养:以蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料为培养基,生产藻粉、健康食品、动物饲料和医药制品。

以动物、家禽和鱼类等残余食物、屠宰场的废物等为培养基,生产家禽、家畜、鱼等饲料、肥料等。

以家庭污水和降解的植物废物等为培养基,生产氧气和肥料等。

显然,小球藻大规模培养的方式主要是考虑产品的用途,高成本的培养方式和培养基只有用于生产高附加值的医药用品、精细化工用品等产品时,在经济上才是可行的,低成本的培养方式,产品的市场价值也降低了。

2　小球藻大规模培养中主要技术条件研究211　气候条件气候条件是不能人为控制的,所以在大规模培养中是最优先考虑的问题。

采用人工光照和加温措施可以控制气候条件,但由于成本太高,实际应用在经济上是不合算的(Be2 dell,1986)。

热带地区有理想的温度,但过多的阴天限制了光照,且均衡的高温也增加了小球藻在夜间的呼吸消耗,净物质积累相对减小。

亚热带沙漠地区气候温热,天气晴朗,光照充足,昼夜温差大,呼吸消耗较低,产量相对较高,是进行大规模培养的较理想气候条件。

因此,在沙漠中建立小球藻生产工厂,已经被认为是“沙产业”中可以实施的产业之一,对于利用非耕土地生产人类的食品具有重要意义。

212　CO2的补加(Oswald,据研究小球藻通过光合作用积累1mg干物质需要1m ol(1.8mg)C O2 1990),而水中溶解的可利用的C O2(0.04m olΠL)远不能满足小球藻生长的需要,因此大规模培养中C O 2的补加是提高产量的有效途径。

Miyachi 等(1983)研究证明,不同种类和品种的小球藻利用无机碳的形式不同,有的利用HC O -3,而更多的则直接利用溶于水中的C O 2。

加入碳酸氢钠类盐,可以补充水中的HC O -3浓度,但并不适合于所有的小球藻种类,且成本高,易使培养液pH 升高。

C O 2的补加采用气流计将C O 2以微泡的形式通入水中。

Laws (1984)报道采用该方法可使C O 2的利用率达70%。

213　搅拌在大规模培养中,藻细胞由于受多种因素的影响往往易发生沉淀和集聚,从而严重影响繁殖与生长速率。

因此搅拌在大规模培养中是必须的设计。

在开放池培养中,Oswald (1990)设计一种水道式流动搅拌器,使水流速度在5～15cm Πs ,可保持藻细胞浓度达300mg ΠL ,在密闭反应器培养系统中,如管道反应器,采用循环措施进行搅拌,可使藻细胞密度达3g dry.wt ΠL (李师翁和李虎乾,1997)。

214　藻细胞的分离与收获大规模培养中,收获藻细胞是唯一的目的,但对于大量水体中200～500mg ΠL 的藻细胞的分离是困难的。

可供选择的方法:(1)沉淀法,采用石灰水、明矾等使藻细胞凝集沉淀,但该法严重影响产品的质量及食用价值;(2)过滤法,由于小球藻细胞仅1～5微米,过滤法不适用;(3)离心法,适用于小球藻的分离,产品质量好,但成本较高。

215　藻细胞的干燥干藻粉是小球藻大规模培养的初产品,但小球藻细胞蛋白质含量高,粘性大,细胞内水分不易散发,干燥时间过长会因叶绿素损失而影响产品质量。

可采用的方法:(1)日光干燥,该法简易,产品质量好,但干燥量仅为100g ・m -2・d -1干藻粉,且易受天气影响;(2)转鼓干燥,由于小球藻粘壁严重,不很适用;(3)喷雾干燥,产量大,藻粉消化率高,质量好;(4)冷冻干燥,适用于生产医疗用品和生物活性制剂。

3　小球藻大规模培养研究的状况小球藻大规模培养研究可以分为两个阶段,50年代至70年代末,主要进行开放池培养的研究,80年代以后开始密闭和半密闭反应器的研究。

311　开放池大规模培养国际上小球藻大规模开放池培养研究,设计1000～5000m 2,深15～30cm 的圆形浅水池,采用螺旋浆搅拌,平均生长量16～22g ・m -2・d -1(Richm ond ,1993),基本状况如表1。

312　半密闭和密闭式大规模培养开放池培养具有设施简易,投资低,成本小等特点,但产量低,一般藻细胞密度200～500mg L -1,培养面积大,生长因子难控制,C O 2补加困难,收获成本高,易被其它生物污染,产品质量低等因素,限制了开放池培养的发展(Richm ond ,1993)。

因此,采用透明容器或玻璃管道设计的半密闭和密闭光合生物反应器培养系统的研究受到重视。

光合反应器大规模培养小球藻的研究始于60年代,乌兹别克地区设计的K 206型光合反应器,试验产量19～30g ・m -2・d -1,培养藻液的密度为250～1500mg ・dry ・wtL-1,土库曼科学院设计的玻璃管道全密闭全天候光合反应器,平均产量20g ・m -2・d -1。

80年代4期李师翁等:小球藻大规模培养研究的进展47　48　植物学通报15卷表1　开放式培养的研究状况国家或地区培养装置试验产量(g・m-2・d-1)乌兹别克浅水池14-25莫斯科喷泉式装置7-11莫斯科浅水池20加利福尼亚浅水池20日 本浅水池9-1815以色列浅水池20-40中国台湾浅水池18中国武汉直径115m水盆16后,玻璃管道光合反应器的研究和应用受到重视,Pirt等(1983)首次设计了100m2的管道反应器,T orzillo等(1986)用管道反应器在户外培养螺旋藻,Richm ond等(1993)设计了10L 管道反应器在户外进行了螺旋藻和鱼腥藻的培养,生长量随管道直径大小而变化,管道直径为5cm时生长量为310mg・L-1・d-1,当管道直径为 2.8cm时生长量为550mg・L-1・d-1,Lee和Low(1991;1992)利用玻璃管道反应器户外培养蛋白核小球藻,生长量为26～30g・m-2・d-1。